исследование явления флаттера. исследование явления флаттера с целью предотвращения разрушения. Исследования явления флаттера с целью предотвращения разрушения ла и его отдельных элементов

• Название: Исследования явления флаттера с целью предотвращения разрушения ла и его отдельных элементов
• Анкор: исследование явления флаттера
• Дата: 09.10.2022
• Размер: 323.92 Kb.
• Имя файла: исследование явления флаттера с целью предотвращения разрушения .docx
• Тип: Исследовательская работа; #723737

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования «Московский авиационный институт

(национальный исследовательский университет)»

Институт №6 «Аэрокосмический»

Кафедра 610 «Управление эксплуатацией ракетно-космических систем»

Учебно-исследовательская работа студента на тему

«Исследования явления флаттера с целью предотвращения разрушения ЛА и его отдельных элементов»

Выполнил:

Студент группы 6О-514С-17

Юрьев А.Ю.

Преподаватель:

Пичужкин П.В.

Москва

2022

Оглавление

Введение 2

1.Причины возникновения флаттера 4

2.Условия возникновения флаттера 7

4.Испытания на флаттер 9

5. Наземные вибрационные испытания 10

6.Испытания в аэродинамической трубе 12

7.Меры предотвращения флаттера 14

Заключение 15

Список источников 15

2.Резонанс крыла - флаттер эффект. Анализ и испытания – [сайт]. – URL: https://aviatest.aero/articles/rezonans-kryla-flatter-effekt-analiz-i-ispytaniya/ 15

Введение

В 30-х годах XX века с ростом скорости самолётов их пилоты столкнулись с таким явлением, как флаттер. В переводе с английского слово flutter означает «дрожание», «трепетание». И действительно, главным проявлением флаттера стала вибрация консолей крыла и органов управления самолёта, а позже — несущих винтов вертолётов.

Целью данной работы является изучение явления флаттера, испытания на флаттер для предсказания поведения самолета в полете с целью предотвращения разрушения ЛА и отдельных его элементов. Актуальность проблемы обеспечения безопасности от флаттера самолетов и других летательных аппаратов (ЛА) сохранялась на всех этапах развития авиации. Явление флаттера служит объектом обширных исследований; условие отсутствия флаттера часто является одним из основных требований при проектировании.

Флаттер — сочетание самовозбуждающихся незатухающих изгибающих и крутящих автоколебаний элементов конструкции летательного аппарата: главным образом, крыла самолёта либо несущего винта вертолёта. Как правило, флаттер проявляется при достижении некоторой критической скорости, зависящей от характеристик конструкции летательного аппарата; возникающий резонанс может привести к его разрушению. Переход к сверхзвуковым скоростям осложнялся опасностями флаттера.

Исследования флаттера в CCCР начались в середине 1930-х годов. Советская авиация столкнулась с тем, что при увеличении скорости, при некотором критическом её значении, самолёты начинало сильно трясти и они разрушались в воздухе. Вибрация нарастала настолько быстро, что у лётчика не оставалось времени на снижение скорости. От начала вибраций до разрушения самолёта проходили считанные секунды.

Над явлением флаттера ломали голову многие математики. Огромный вклад в решение проблемы внесли Е. П. Гроссман и М. В. Келдыш. Был поставлен целый ряд экспериментов, сделан ряд теоретических исследований, были разработаны практические приёмы для исключения вибрации при любой скорости полёта. Основным результатом работ, проведенных в СССР в 1934—1941 годах, было устранение опасности появления флаттера крыла и оперения. Опираясь на исследования Келдыша, авиаконструкторы избавились от флаттера, и жизни многих летчиков были спасены.

1.Причины возникновения флаттера

Непроизвольные «взмахи» крыльев, вибрационный резонансный изгиб крыльев, или как его еще называют флаттер эффект - явление, которое заставляет крылья и другие ключевые компоненты самолета бесконтрольно вибрировать в полете. Это явление происходит из-за перехода в резонанс сил аэроупругой нагрузки среды с демпфирующими силами, создаваемыми конструкцией самолета. Возникновение этого эффекта делает продолжение полета самолета, из-за угрозы его разрушения, невозможным.

Колебания крыла происходят в потоке воздуха, при этом на крыле развиваются аэродинамические силы, которые могут как поддерживать, так и противодействовать колебаниям. В первом случае колебания будут происходить с нарастающей амплитудой, во втором – колебания будут затухающими. Колебания с нарастающей амплитудой, возникающие в потоке воздуха под действием аэродинамических сил, носят название колебаний типа флаттер. Как говорилось выше, они весьма опасны, так как амплитуда колебаний нарастает весьма быстро, и конструкция ломается. Схематично можно представить следующим образом:

Вследствие случайного изгибающего импульса возникают изгибные колебания, появляются силы инерции, силы инерции создают момент около оси жесткости, крыло закручивается под действием момента инерционных сил, происходит приращение подъемной силы, так как кручение изменяет угол атаки, далее происходит усиление изгибных колебаний под действием подъемной силы, и так далее до тех пор, пока не произойдет поломки крыла. Эта подъемная сила усиливает деформацию изгиба, так как направлена всегда в ту сторону, в которую направлено изгибное движение крыла.



Рис. 1 Схема развития изгибно-крутильного флаттера крыла.

Таким образом, при колебаниях в потоке воздуха появляются силы, стремящиеся эти колебания увеличить.

Возникает вопрос: если при любой случайной деформации крыла всегда возникают силы вызывающие колебания с нарастающей амплитудой, то почему же вообще не разрушаются крылья у каждого самолета? Объясняется это тем, что наряду с возбуждающими силами при колебаниях в потоке воздуха всегда имеются и демпфирующие силы. Например, демпфирующей является аэродинамическая сила, зависящая от скорости изгибных колебаний. При движении крыла вниз, крыло перекручивается таким образом, что угол атаки его уменьшается и вследствие этого возникает дополнительная сила, действующая в сторону движения. Но угол атаки будет изменяться не только за счет перекручивания крыла, а также и вследствие того, что при движении крыла вниз относительная скорость воздуха будет направлена вверх. Складывая эту скорость со скоростью набегающего потока угол атаки изменится, причем угол атаки увеличивается при движении крыла вниз и уменьшается при движении крыла вверх. Вследствие этого изменения угла атаки также появится дополнительная сила, которая будет направлена вверх при движении крыла вниз (так как α > 0) и наоборот. Эта сила, в отличие от подъемной силы, возникающей за счет кручения крыла, всегда направлена против движения, т.е. она гасит (демпфирует) колебания.

При малых скоростях обычно возбуждающие воздействия бывают меньше, чем демпфирующие и поэтому возникающие колебания затухают, но с ростом скорости возбуждающие воздействия растут быстрее, чем демпфирующие, и, начиная с некоторой скорости, превосходят их. Начиная с этой скорости, возникающие колебания перестают затухать. Такую скорость называют критической скоростью флаттера.

Изгибно-крутильные колебания крыла в потоке воздуха могут происходить с нарастающей амплитудой. Но с нарастающей амплитудой могут происходить не только изгибно-крутильные, но и другие виды колебаний. Допустим, что крыло является абсолютно жестким на кручение, но на крыле имеется элерон, могущий отклонятся относительно крыла. В этом случае возможны совместные колебания крыла (изгибные) и элерона, так же с нарастающей амплитудой. Отклонения элерона происходит под действием сил инерции при движении крыла вверх (элерон по инерции отклонится вниз) или вниз(элерон по инерции отклонится вверх). За счет отклонения элерона возникнет дополнительная подъемная сила, которая будет направлена вниз, если элерон отклонен вверх, и подъемная сила будет направлена вверх, если элерон отклонен вниз. Таким образом, в рассматриваемом случае подъемная сила, возникающая за счет отклонения элерона от инерции, будет всегда направлена в ту же сторону, куда и движется крыло. Эта подъемная сила будет стремиться увеличить колебания и вызвать флаттер. Флаттер этой формы носит название изгибно-элеронного.



Рис. 2 Схема развития изгибно-элеронного флаттера

Наряду с возбуждающей силой в данном случает также имеется и демпфирующая сила того же происхождения, как и в случае изгибно-крутильных колебаний.

2.Условия возникновения флаттера

Условие возникновения флаттера зависит от скорости полета самолета. Критическая скорость – это такая скорость полета, при которой возникающее колебание перестает затухать. Следовательно, чтобы ее найти необходимо всего предположить, что колебания есть, и найти их характеристики. Эти характеристики буду зависеть от скорости полета, поскольку от нее зависят силы, действующие на вибрирующую конструкцию, затем необходимо рассмотреть, как меняется характер колебаний в зависимости от скорости, и найти такую скорость, при которой возникающие колебания перестают затухать. Нарастание и затухание колебаний характеризуется логарифмическим декрементом затухания, и критическая скорость – скорость, при которой логарифмический декремент затухания обращается в нуль (на меньшей скорости он отрицателен – колебания затухают, на большей положителен, - колебания нарастают).

Но если декремент затухания равен нулю, то колебания будут гармоническими – не нарастающими и не затухающими.

Получается, критическая скорость – скорость полета, при которой возможны гармонические колебания с постоянной амплитудой. При всякой другой скорости колебания будут либо затухающими, либо возрастающими.

Критическая скорость не зависит от начальных условий, т.е. от величины начального импульса. Если скорость полета превышает критическую, то как бы ни был мал начальный импульс, колебания будут происходить с начальной амплитудой. Наоборот, если скорость полета меньше критической, то каково бы не было начальное возмущение, оно будет затухать. Определение критической скорости есть задача устойчивости: на скорости меньше критической, конструкция крыла устойчива, на скорости больше критической – конструкция крыла не устойчива.

Критическая скорость изгибно-крутильного и критическая скорость изгибно-элеронного различны. Это ясно из того, что они зависят от различных параметров. Критическая скорость изгибно-крутильного флаттера должна зависеть от жесткости крыла на кручение, в то время как скорость изгибно-элеронного флаттера от жесткости крыла не зависит, так как крыло предполагается не закручивающимся, а зависит от аэродинамической компенсации элерона. Скорость изгибно-крутильного флаттера не зависит от аэродинамической компенсации элерона, так как элерон предполагается неотклоняющимся. Но кроме этих двух могут быть и другие критические скорости, которые определяются возможными сочетаниями деформаций конструкции во время колебаний: cкорость крутильно-элеронного флаттера (отсутствует изгиб крыла, но имеют место закручивание крыла и отклонение элерона) и скорость изгибно-крутильного-элеронного флаттера (крыло одновременно изгибается и закручивается, а элерон отклоняется относительно крыла). Получается, что крыло обладает четырьмя критическими скоростями.

Хвостовое оперение обладает еще большим количеством критических скоростей, так как могут испытывать больше различных видов деформаций (изгиб и кручение стабилизатора, отклонения рулей, изгиб и кручение фюзеляжа и т.д.)

Целый ряд форм совместных колебаний может перейти во флаттер, т. е. в колебания, автоматически поддерживающихся за счет аэродинамических сил, и каждая их этих форм обладает своей критической скоростью.

Конструктора интересует только наименьшая критическая скорость, так как уже она должна быть выше максимально достижимой для данного самолета скорости полета.

4.Испытания на флаттер

В современной авиационной диагностике есть два связанных между собой динамических испытания. Это наземные вибрационные испытания и испытание на флаттер. Эти испытания проводят для конкретной конфигурации самолета для определения безопасной и устойчивой зоны полета.

Наземные вибрационные испытания - это динамические тесты конструкции самолета, в которых определяются резонансные частоты, частотные моды и демпфирующие свойства самой конструкции. Такие испытания проводят на земле перед первым его полетом. Полученные результаты вибрационных испытаний сравниваются с компьютерной конечно-элементной моделью, используемой для предсказания поведения самолета в полете. Если результаты испытаний и поведение модели совпадают, самолет переводят на следующий уровень испытаний, которые обычно включают в себя испытания в аэродинамической трубе, а также исследование колебаний крыльев, хвостового оперения, и других элементов конструкции самолета в полете.

Перед полетом реального самолета обязательно прогнозируются условия наступления флаттер который ограничивает устойчивую область полета (высота и скорость) у самолета. Аналитические предсказания флаттер эффекта проверяются на структурной элементной математической модели при наземных вибрационных испытаниях, а также на аэродинамической масштабной модели самолета, при испытаниях её в аэродинамической трубе.

После аналитических проверок и испытаний на земле, переходят к фактическому анализу флаттер эффекта при летных тестовых испытаниях. Методично и тщательно, производя тестовые испытания на разных высотах и скоростях полета, проверяется и расширяется зона устойчивого полета самолета.

5. Наземные вибрационные испытания

Продолжительность наземных вибрационных испытаний может занимать от нескольких дней до нескольких недель, в зависимости от размеров самолета, количества измерительных каналов, количества различных конфигураций полезной нагрузки, миссии и т.д.

Планирование любых испытаний очень важно для обеспечения их эффективности. Чтобы время простоя нового самолета было сведено к минимуму, предварительно проводят испытания на масштабной элементно-конструктивной модели самолета. Модель используется для разработки и определения наиболее эффективной конфигурации вибрационных тестов, включая местоположения нагрузочных устройств и акселерометров, а также разработку тестов на проверку граничных условий.



Рис. 3 Масштабная элементно-конструктивная модель самолета Конкорд (Concorde)

Бывает так, что характеристики полета самолета существенно изменяются из-за дополнительных конфигураций полезной нагрузки или даже от количества топлива в баках. Важно провести наземные вибрационные испытания и протестировать все конфигурации самолета, которые могут повлиять на летно-технические характеристики самолета.

6.Испытания в аэродинамической трубе

Исследования явления флаттера проводят в аэродинамических трубах (АДТ) с помощью моделей уменьшенного масштаба (рис. 5). При выполнении определенных критериев подобия между натурной конструкцией самолета и его уменьшенной моделью удается с требуемой точностью при меньших затратах времени и средств, без всякой угрозы для безопасности экипажа (которая существует при испытаниях натурной конструкции) исследовать такие опасные явления аэроупругости, как флаттер, дивергенция, реверс элеронов и др. Кроме того, простые модели позволяют выявить суть явления, отделить важные факторы от второстепенных, провести параметрические исследования, определить пути совершенствования конструкции, установить границы безопасных режимов полета. Моделирование флаттера в АДТ основывается на подходах, которые применяют для построения кинематически подобных систем.



Рис. 4 Исследование флаттера в АДТ

Аэродинамические свойства исследуемого ЛА моделируются за счет соответствующих натуре обводов жестких отсеков 1, закрепленных на балках 2, 3, 4, 5, 6, имитирующих силовую конструкцию соответственно горизонтального оперения, вертикального оперения, фюзеляжа, крыла, пилона с системой подвески двигателя. Изгибная и крутильная жесткость этих балок в масштабе модели соответствует жесткости реальных (или проектируемых) конструкций, что позволяет моделировать их упругость. Свойства инерции конструкции моделируются системой грузов 7, закрепленных на балках.



Рис. 5 Динамическая подобная модель

При возникновении флаттера в процессе испытаний такая модель допускает колебания большой амплитуды без разрушения и остаточных деформаций, что позволяет проводить на ней разнообразные исследования по доводке параметров ЛА, включая перестановку и замену агрегатов.

7.Меры предотвращения флаттера

Для устранения изгибно-крутильного флаттера проводятся следующие мероприятия:

1) Увеличение жесткости крыла на кручение путем утолщения обшивки и стенок лонжеронов. Это уменьшает закручивание сечения крыла, являющееся источником возмущающих сил.

2) Перемещение вперед линии центра тяжести сечений крыла. Перемещение центра тяжести сечения вперед уменьшает момент инерционной силы вследствие уменьшения плеча этой силы и уменьшает закручивание крыла. Перемещение центра тяжести достигается путем увеличения толщины обшивки носка и рационального размещения агрегатов в крыле и на крыле.

Важнейшим мероприятием для предотвращения изгибно-элеронного флаттера является весовая компенсация элерона — совмещение центра тяжести элерона с осью его вращения, и перекомпенсация — расположение центра тяжести элерона перед осью вращения. Весовая компенсация (перекомпенсация) осуществляется путем расположения в носке элерона специальных грузов — балансиров, смещающие центр тяжести элерона вперед. Эти балансирующие грузы наиболее эффективны при расположении их ближе к концу крыла, где размахи колебаний наибольшие. Однако установка грузов увеличивает вес конструкции крыла.

Так же для предотвращения изгибно-элеронного флаттера используют демпферы, которые при отклонениях элеронов создают дополнительные демпфирующие силы. Происходит это следующим образом: при отклонениях элерона связанный с ним поршень перемещается в цилиндре, заполненном вязкой жидкостью (например, смесью спирта и глицерина). Поршень имеет небольшие отверстия, и перетекающая через них при отклонении элерона жидкость создает сопротивление движению элерона. При медленном отклонении элерона сила сопротивления жидкости невелика, при больших же скоростях отклонения сила сопротивления жидкости резко увеличивается, так как эта сила пропорциональна квадрату скорости движения жидкости.

Заключение

В ходе данной работы были рассмотрены явление флаттера, причины и условия возникновения этого явления, сформулировано определение. Когда причины флаттера стали ясны, легко нашлись и способы борьбы с ним.

Также было рассмотрено испытания, которые проводятся для выявления и прогнозирования этого явления. Наземные вибрационные испытания вместе с испытаниями в аэродинамической трубе используются для проверки конструктивных и аэродинамических моделей, которые в сочетании приводят к более точному прогнозированию флаттер эффекта.

Предсказание и моделирование флаттер эффекта также осуществляются на компьютерной модели, в то время как тестовые полетные испытания становятся окончательной проверкой того, что зона стабильного полета избавлена от проявления этого эффекта.

Список источников

1. 
   Гроссман Е.П. Курс вибраций частей самолета. Москва. 1940. – 156 с.
   

2. Резонанс крыла - флаттер эффект. Анализ и испытания – [сайт]. – URL: https://aviatest.aero/articles/rezonans-kryla-flatter-effekt-analiz-i-ispytaniya/